Количество теплоты, которое капля металла способна отдать горючей среде при остывании до температуры ее самовоспламенения, рассчитывают следующим способом.
Среднюю скорость полета капли металла при свободном падении (ωк), м⋅с-1, вычисляют по формуле
(73)
где g=9,8l м⋅с-1 — ускорение свободного падения;
Н — высота падения, м.
Объем капли металла (Vк), м3, вычисляют по формуле
(74)
где dk — диаметр капли, м.
Массу капли (mk), кг, вычисляют по формуле
(75)
где ρ — плотность металла, кг⋅м-3.
В зависимости от продолжительности полета капли возможны три ее состояния: жидкое, кристаллизации, твердое.
Время полета капли в расплавленном (жидком) состоянии (τp), с, рассчитывают по формуле
(76)
где Cp — удельная теплоемкость расплава металла, Дж⋅к-1К-1;
mk — масса капли, кг;
Sk=0,785 — площадь поверхности капли, м2;
Тн, Тпл — температура капли в начале полета и температура плавления металла соответственно, К;
Т0 — температура окружающей среды (воздуха), К;
α — коэффициент теплоотдачи, Вт, м-2 К-1.
Коэффициент теплоотдачи определяют в следующей последовательности:
а) вычисляют число Рейнольдса по формуле
(77)
где dk — диаметр капли м;
v = 15,1⋅10-6 — коэффициент кинематической вязкости воздуха при температуре 20°С, м-2⋅с-1.
б) вычисляют критерий Нуссельта по формуле
(78)
в) вычисляют коэффициент теплоотдачи по формуле
, (79)
где λВ=22⋅10-3 — коэффициент теплопроводности воздуха, Вт⋅м-1⋅ -К-1.
Если τ≤τр, то конечную температуру капли определяют по формуле
(80)
Время полета капли, в течение которого происходит ее кристаллизация, определяют по формуле
(81)
где Скр — удельная теплота кристаллизации металла, Дж⋅кг-1.
Если τр<τ≤(τp+τкр), то конечную температуру капли определяют по формуле
(82)
Если τ>(τр+τкр), то конечную температуру капли в твердом состоянии определяют по формуле
(83)
где Ск — удельная теплоемкость металла, Дж кг -1⋅K-1.
Количество тепла (W), Дж, отдаваемое каплей металла твердому или жидкому горючему материалу, на который она попала, вычисляют по формуле
(84)
где Тсв — температура самовоспламенения горючего материала, К;
К — коэффициент, равный отношению тепла, отданного горючему веществу, к энергии, запасенной в капле.
Если отсутствует возможность определения коэффициента К, то принимают К=1.
Более строгое определение конечной температуры капли может быть проведено при учете зависимости коэффициента теплоотдачи от температуры.
5.1.2.3. Электрические лампы накаливания общего назначения
Пожарная опасность светильников обусловлена возможностью контакта горючей среды с колбой электрической лампы накаливания, нагретой выше температуры самовоспламенения горючей среды. Температура нагрева колбы электрической лампочки зависит от мощности лампы, ее размеров и расположения в пространстве. Зависимость максимальной температуры на колбе горизонтально расположенной лампы от ее мощности и времени приведена на черт. 3.
Черт. 3
5.1.2.4. Искры статического электричества
Энергию искры (Wи), Дж, способной возникнуть под действием напряжения между пластиной и каким-либо заземленным предметом, вычисляют по запасенной конденсатором энергии из формулы
(85)
где С — емкость конденсатора, Ф;
U — напряжение, В.
Разность потенциалов между заряженным телом и землей измеряют электрометрами в реальных условиях производства.
Черт. 4
Если Wи≥0,4 Wм.э.з ( Wм.э.з - минимальная энергия зажигания среды), то искру статического электричества рассматривают как источник зажигания.
Реальную опасность представляет “контактная” электризация людей, работающих с движущимися диэлектрическими материалами. При соприкосновении человека с заземленным предметом возникают искры с энергией от 2,5 до 7,5 мДж. Зависимость энергии электрического разряда с тела человека и от потенциала зарядов статического электричества показана на черт. 4.
5.1.3. Механические (фрикционные) искры (искры от удара и трения)
Размеры искр удара и трения, которые представляют собой раскаленную до свечения частичку металла или камня, обычно не превышают 0,5 мм, а их температура находится в пределах температуры плавления металла. Температура искр, образующихся при соударении металлов, способных вступать в химическое взаимодействие друг с другом с выделением значительного количества тепла, может превышать температуру плавления и поэтому ее определяют экспериментально или расчетом.
Количество теплоты, отдаваемое искрой при охлаждении от начальной температуры tн до температуры самовоспламенения горючей среды tсв вычисляют но формуле (84), а время остывания τ — следующим образом.
Отношение температур (Θп) вычисляют по формуле
(86)
где tв — температура воздуха, °С.
Коэффициент теплоотдачи (α), Вт⋅м-2⋅К-1, вычисляют по формуле
(87)
где wи — скорость полета искры, м⋅с-1.
Скорость искры (wи), образующейся при ударе свободно падающего тела, вычисляют по формуле
(88)
а при ударе о вращающееся тело по формуле
(89)
где n — частота вращения,, с-1;
R — радиус вращающегося тела, м.
Скорость полета искр, образующихся при работе с ударным инструментом, принимают равной 16 м⋅с-1, а с высекаемых при ходьбе в обуви, подбитой металлическими набойками или гвоздями, 12 м⋅с-1.
Критерий Био вычисляют по формуле
(90)
где dи — диаметр искры, м;
λи — коэффициент теплопроводности металла искры при температуре самовоспламенения горючего вещества (tсв), Вт м -1⋅K-1.
По значениям относительной избыточной температуры θп и критерия Вi определяют по графику (черт. 5) критерий Фурье.
Черт. 5
Длительность остывания частицы металла (τ), с, вычисляют по формуле
(91)
где F0 — критерий Фурье;
Си — теплоемкость металла искры при температуре самовоспламенения горючего вещества, Дж⋅кг-1⋅К-1;
ρи — плотность металла искры при температуре самовоспламенения горючего вещества, кг⋅м-3.
При наличии экспериментальных данных о поджигающей способности фрикционных искр вывод об их опасности для анализируемой горючей среды допускается делать без проведения расчетов.
5.1.4. Открытое пламя и искры двигателей (печей)
Пожарная опасность пламени обусловлена интенсивностью теплового воздействия (плотностью теплового потока), площадью воздействия, ориентацией (взаимным расположением), периодичностью и временем его воздействия на горючие вещества. Плотность теплового потока диффузионных пламен (спички, свечи, газовой горелки) составляет 18—40 кВт⋅м-2, а предварительно перемешанных (паяльные лампы, газовые горелки) 60—140 кВт⋅м-2 В табл. 6 приведены температурные и временные характеристики некоторых пламен и малокалорийных источников тепла.
Таблица 6
Наименование горящего вещества (изделия) или пожароопасной операции | Температура пламени (тления или нагрева), оС | Время горения (тления), мин |
Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости | 880 | - |
Древесина и лесопиломатериалы | 1000 | — |
Природные и сжиженные газы | 1200 | — |
Газовая сварка металла | 3150 | — |
Газовая резка металла | 1350 | — |
Тлеющая папироса | 320—410 | 2—2,5 |
Тлеющая сигарета | 420-460 | 26—30 |
Горящая спичка | 600-640 | 0,33 |
Открытое пламя опасно не только при непосредственном контакте с горючей средой, но и при ее облучении. Интенсивность облучения (gр), Вт⋅м-2, вычисляют по формуле
(92)
где 5,7 — коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт⋅м-2⋅К-4;
εпр — приведенная степень черноты системы
(93)
εф — степень черноты факела (при горении дерева равна 0,7, нефтепродуктов 0,85);
εв — степень черноты облучаемого вещества принимают по справочной литературе;
Тф — температура факела пламени, К,
Тсв — температура горючего вещества, К;
φ1ф— коэффициент облученности между излучающей и облучаемой поверхностями.
Критические значения интенсивности облучения в зависимости от времени облучения для некоторых веществ приведены в табл. 7.
Пожарная опасность искр печных труб, котельных, труб паровозов и тепловозов, а также других машин, костров, в значительной степени определяется их размером и температурой. Установлено, что искра диаметром 2 мм пожароопасна, если имеет температуру около 1000°С, диаметром 3 мм—800 °С, диаметром 5 мм—600 °С.
Теплосодержание и время остывания искры до безопасности температуры вычисляют по формулам (76 и 91). При этом диаметр искры принимают 3 мм, а скорость полета искры (ωи), м⋅с-1, вычисляют по формуле
(94)
где ωв — скорость ветра, м⋅с-1;
H — высота трубы, м.
Таблица 7
Материал | Минимальная интенсивность облучения, Вт⋅м-2, при продолжительности облучения, мин | ||
3 | 5 | 15 | |
Древесина (сосна влажностью 12%) | 18800 | 16900 | 13900 |
Древесно-стружечная плита плотностью 417 кг⋅м-3 | 13900 | 11900 | 8300 |
Торф брикетный | 31500 | 24400 | 13200 |
Торф кусковой | 16600 | 14350 | 9800 |
Хлопок-волокно | 11000 | 9700 | 7500 |
Слоистый пластик | 21600 | 19100 | 15400 |
Стеклопластик | 19400 | 18600 | 17400 |
Пергамин | 22000 | 19750 | 17400 |
Резина | 22600 | 19200 | 14800 |
Уголь | - | 35000 | 35000 |
5.1.5. Нагрев веществ, отдельных узлов и поверхностей технологического оборудования
Температуру нагрева электропровода при возникновении перегрузки (tж), °С, вычисляют по формуле
(95)
где tср.н — нормативная температура среды для прокладки провода, принимается в соответствии с правилами электрооборудования, утвержденными Госэнергонадзором, °С;
Iф — фактический ток в проводнике, А;
tж.н — нормативная температура жилы электропровода, °С;
Iдоп — допустимый ток в проводнике, А.
Температура газа при сжатии в компрессоре и отсутствии его охлаждения (Тк), К, вычисляют по формуле
(96)
где Тн — температура газа в начале сжатия, К;
Рк, Рн — давление газа в конце и начале сжатия, кг⋅м-2;
k — показатель адиабаты (равен 1,67 и 1,4 соответственно для одно- и двухатомных газов).
Для многоатомных газов показатель адиабаты вычисляют по формуле
(97)
где Ср, Сv — изобарная и изохорная удельные массовые теплоемкости газов, Дж⋅кг-1⋅К-1.
Температуру нагрева электрических контактов при возникновении повышенных переходных сопротивлений (tн.к), °С, вычисляют по формуле
(98)
где tср — температура среды, оС;
τ — время, с;
τк — постоянная времени нагрева контактов, с;
Р — электрическая мощность, выделяющаяся в контактных переходах, Вт;
S — площадь поверхности теплообмена, м2;
αобщ — общий коэффициент теплоотдачи, Вт⋅м-2⋅К-1.
До максимальной температуры контакты нагреваются за время
(99)
Электрическую мощность (Р), выделяющуюся в контактных переходах вычисляют по формуле
(100)
где I — ток в сети, А;
Ui — падение напряжения в i-й контактной паре в электрическом контакте, В;
п — количество контактных пар в контакте.
Значение падения напряжений на контактных парах Ui для деталей из некоторых материалов приведены в табл. 8.
Таблица 8
Наименование материала | Алюминий | Графит | Латунь | Медь | Сталь |
Алюминий | 0,28 | ||||
Графит | 3,0 | 3,0 | |||
Латунь | 0,63 | 2,4 | 0,54 | ||
Медь | 0,65 | 3,0 | 0,60 | 0,65 | |
Сталь | 1,4 | 1,6 | 2,1 | 3,0 | 2,5 |